(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、発光素子から出射された光を制御する光束制御部材とを備える発光装置において、
上記光束制御部材は、上記発光素子から出射された光が光束制御部材に入射する光入射面と、上記光入射面に入射した光が光束制御部材から出射される光出射面とを備え、
上記光入射面は、上記発光装置の基準光軸に対し軸対称な凹の曲面部分を有し、
上記基準光軸と上記発光素子の発光面との交点を基準点としたとき、上記光入射面上の任意の点と上記基準点とを結ぶ直線と、上記基準光軸とのなす角をα１、上記光入射面上の任意の点と上記基準点との距離をＲ１として、少なくともα１＜π／３の範囲においては、α１の増加に従いＲ１は単調減少し、
上記光出射面は、上記基準光軸に対し軸対称な凸の曲面部分を有すると共に、上記基準光軸との交点を含む部分に、上記凸の曲面部分に連続する窪みを有する形状であり、
上記光出射面上の任意の点と上記基準点とを結ぶ直線と、上記基準光軸とのなす角をα２、上記光出射面上の任意の点と上記基準点との距離をＲ２として、少なくともα２＜π／３の範囲においては、α２の増加に従いＲ２は単調増加し、
上記光束制御部材を構成する材料の屈折率をｎとして、上記α２の増分Δα２に対するＲ２の増分ΔＲ２をＲ２Δα２で除算した値ΔＲ２／（Ｒ２Δα２）をＡ２として、Ａ２は
【数１】
0005213383.tif 000010
未満であり、
上記光入射面において、上記α１の増分Δα１に対するＲ１の増分ΔＲ１をＲ１Δα１で除算した値ΔＲ１／（Ｒ１Δα１）をＡ１として、α１が０のとき、Ａ１が０であり、
上記光出射面において、α２が０のとき、Ａ２が０であり、
上記光入射面において、上記Ａ１の最大値は、α１が０からπ／４までの間にあることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
上記光束制御部材は屈折率が１．４５以上１．６５以下である透明材料からなることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
上記光束制御部材が上記光入射面と上記光出射面とを結ぶ底面を備え、上記底面には、発光素子から出射された光の入射を抑制する光入射抑制部が備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
【請求項４】
上記光入射抑制部は、上記底面にシボ加工が施されたシボ部であることを特徴とする請求項３に記載の発光装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の発光装置を備えることを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置およびこれを備える照明装置に関し、詳細には、液晶表示パネルの背面側から面状に照明するバックライトの光源や、室内の一般照明など各種照明として用いることができる光束制御部材を備える発光装置およびこれを備える照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、パーソナルコンピュータやテレビジョン等に使用される液晶表示モニタの照明手段として、複数の発光ダイオード（以下、適宜「ＬＥＤ」と称する。）を発光素子として使用した面光源装置が知られている。この面光源装置は、液晶表示モニタの液晶表示パネルとほぼ同形状の板状の領域に複数のＬＥＤをマトリックス状に配置し、発光素子からの光を光束制御部材により略一様な輝度分布として、液晶表示モニタの裏面側から面状に照明するものである。
【０００３】
このようなＬＥＤを光源とした発光装置として、例えば、特許文献１に開示された発光装置１００を挙げることができる。図１９は、従来の発光装置１００の断面図を示している。この発光装置１００は、裏面平板１０２ｃに、発光素子１０１を備え、さらに発光素子１０１の周囲には、発光素子１０１からの光の方向を変化させる光束制御部材１０２を備えている。発光装置１００の上方には液晶表示パネル１０６が配置されており、光束制御部材１０２から出射された光が液晶表示パネル１０６上に照射された際の輝度分布が均一化される構成となっている。
【０００４】
詳細に説明すると、光束制御部材１０２の光入射面１０２ａに入射し、光出射面１０２ｂに到達した、発光素子１０１からの光と光軸Ｚとのなす角度φ１と、光出射面１０２ｂから出射する光Ｌと光軸Ｚとのなす角度φ２が、φ２／φ１＞１の関係を満足するとともに、このφ２／φ１の値をφ１の増加にしたがって徐々に小さくなる方向に変化させる形状に形成されている。
【０００５】
光出射面１０２ｂを上述した形状にすることにより、発光素子１０１から発せられた光の光束は、液晶表示パネル１０６上で広範囲に滑らかに拡げることが可能となる。すなわち、複数の発光素子１０１を光源として使用する場合、各発光素子１０１からの光が混じり易くなる。したがって、各発光素子１０１からの発光色にばらつきがあったとしても、光束制御部材１０２を介して出射される各発光素子１０１の発光色のばらつきが目立ちにくくなると共に、出射光輝度も均一化され、高品質の面光源装置を実現することが可能になる。
【０００６】
その他のＬＥＤを光源とした発光装置としては、特許文献２に開示された発光装置を挙げることができる。
【０００７】
特許文献２の発光装置は光束制御部材として底面と、底面から延長された第１周辺曲面と、第１周辺曲面から延長された第１中央曲面を有し、底面の中心から第１中央曲面の任意の地点までの距離が、第１中央曲面の任意の地点の曲率半径より短くなっている。第１中央曲面を上述した形状にすることにより、発光素子から発せられた光の光束は、液晶パネル上で広範囲に広げることが可能となる。
【０００８】
さらに特許文献２では底面の中央に空洞を形成している。空洞の内部表面は第２周辺曲面及び第２中央曲面からなり、底面の中心から第２中央曲面の任意の地点までの距離が第２中央曲面の任意の地点の曲率半径よりも長くなっている。第２中央曲面を上述した形状にすることにより、発光素子から発せられた光の光束は、液晶パネル上でさらに広範囲に広がる。
【０００９】
さらに、特許文献２では第１中央曲面の中央に円錐形の凹部を有し、発光素子から光軸方向に近い方向に出射された光束も光軸から遠い方向に屈折させ、液晶パネル上で光束を広範囲に広げている。
【特許文献１】特開２００６−９２９８３号公報（平成１８年４月６日公開）
【特許文献２】特開２００６−１１４８６３号公報（平成１８年４月２７日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の発光装置では、それぞれ以下の問題点を有している。
【００１１】
特許文献１の発光装置１００において、発光素子１０１から液晶表示パネル１０６までの距離が短くなるほど、または、発光素子１０１から、その周辺に配置されている発光装置が備える発光素子までの距離が長くなるほど、光束制御部材１０２の拡散性をさらに向上させる必要が生じる。
【００１２】
光束制御部材１０２による拡散性を向上させるためには、発光素子１０１から出射した光を液晶表示パネル１０６上で発光素子１０１の直上から離れた位置に到達させる必要がある。そのためには、光出射面１０２ｂで光の出射する向きをできるだけ液晶表示パネル１０６に平行な方向に曲げる、すなわち、光出射面１０２ｂで大きく屈折させる必要がある。しかし、一般にフレネル反射と呼ばれる現象により、光出射面１０２ｂで光を大きく屈折させると反射光量が増加する、すなわち光出射面１０２ｂから出射する光量が減少してしまうこととなる。特に、特許文献１に例示されている発光装置１００においては、光の向きの制御が、主として光出射面１０２ｂで行われる構成であるため、拡散性を向上させるためには、光出射面１０２ｂで光を更に大きく屈折させる必要があり、このフレネル反射の影響が大きくとなる。
【００１３】
さらに、光出射面１０２ｂで反射した光は、図１９における破線で示した矢印方向で示すように、光束制御部材１０２の裏側平面１０２ｃあるいは裏側平面１０２ｃに接して配置される反射部材１０３により反射され、光出射面１０２ｂで発光素子１０１の直上付近に集光されてしまう。これらの結果、光束制御部材１０２の光拡散性を上げようとして、屈折角を大きくしても、結局、発光素子１０１直上から離れた位置に到達させようとした光が減少し、発光素子１０１直上へ集光されてしまうため、拡散性を向上させることが困難となる。
【００１４】
さらには、特許文献１において、光束制御部材１０２の構成に関し、π／２以下の一定値をδ１とし、光束制御部材１０２の拡散度合いの係数をαとすると、φ１＜δ１の範囲内において、φ１とφ２の関係が、φ２＝｛１＋（δ１−φ１）×α／δ１｝×φ１の関係式で表されると開示されている。
【００１５】
ここで、図２０は、発光装置１００の角度φ１および角度φ２の関係を示すグラフである。同図において示すように、α＞１では、角度φ１が増加しても角度φ２が変化しない領域ができる。
【００１６】
また、図２１は図２０における関係式のα＞１である場合の光線の出射方向を示している。同図に示すφ１が増加してもφ２が変化しない領域では、図２１に示すように、光線の出射方向が同じになり光線が集中するため、リング状の輝線ができ、輝度ムラが発生することになる。このような輝度ムラを発生させないためにはα＜１にする必要があり、発光装置１００は、このような条件下では、より大きな拡散性を得るという点については未だ不十分な場合がある。すなわち、φ２／φ１の値をφ１の増加にしたがって徐々に小さくなる方向に変化させる形状のみでは、より大きな拡散性を得るという観点においては不十分な場合がある。
【００１７】
特許文献２の発光装置においては、第１中央曲面と第１周辺曲面の境界で曲率半径を急激に変化させ、第１周辺曲面で光を光軸方向に曲げているため、境界付近から出射した光は集光されることになる。この場合、液晶表示パネル上ではリング状の輝線が発生してしまう。これを抑制するため、実施例には第１周辺曲面を設置しないタイプの発光装置も提案されているが、その場合には非常に大きなレンズになってしまい、実用的ではない。この原因は、底面の中心から第１中央曲面の任意の地点までの距離を、第１中央曲面の任意の地点の曲率半径より短くしているためであり、このような形状ではレンズが大きくなってしまうため、第１周辺曲面が必要となってくる。
【００１８】
さらに、特許文献２では、第１周辺曲面と次中央曲面、最中央曲面がある場合も記載されているが、最中央曲面は円錐形状であるため、底面の中心から光軸方向に出射された光も光軸から遠ざかる方向に屈折されてしまう。この場合、各光束制御部材の光軸上が暗くなるため、スポット状の輝度ムラ発生の原因になる。このように特許文献２では光を拡散させているものの、液晶表示パネル上の輝度ムラの抑制が困難である。
【００１９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、液晶表示パネル上の輝度ムラを発生させることなく、光を拡散させ、さらにフレネル反射による反射率を低減させることにより、拡散性が向上された発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の発光装置は、上記課題を解決するために、発光素子と、発光素子から出射された光を制御する光束制御部材とを備える発光装置において、上記光束制御部材は、上記発光素子から出射された光が光束制御部材に入射する光入射面と、上記光入射面に入射した光が光束制御部材から出射される光出射面とを備え、上記光入射面は、上記発光装置の基準光軸に対し軸対称な凹の曲面部分を有し、上記基準光軸と上記発光素子の発光面との交点を基準点としたとき、上記光入射面上の任意の点と上記基準点とを結ぶ直線と、上記基準光軸とのなす角をα１、上記光入射面上の任意の点と上記基準点との距離をＲ１として、少なくともα１＜π／３の範囲においては、α１の増加に従いＲ１は単調減少し、上記光出射面は、上記基準光軸に対し軸対称な凸の曲面部分を有すると共に、上記基準光軸との交点を含む部分に、上記凸の曲面部分に連続する窪みを有する形状であり、上記光出射面上の任意の点と上記基準点とを結ぶ直線と、上記基準光軸とのなす角をα２、上記光出射面上の任意の点と上記基準点との距離をＲ２として、少なくともα２＜π／３の範囲においては、α２の増加に従いＲ２は単調増加し、上記光束制御部材を構成する材料の屈折率をｎとして、上記α２の増分Δα２に対するＲ２の増分ΔＲ２をＲ２Δα２で除算した値ΔＲ２／（Ｒ２Δα２）をＡ２として、Ａ２は、
【００２１】
【数１】
0005213383.tif 000002
【００２２】
未満であることを特徴としている。
【００２３】
上記の発明によれば、光入射面上の任意の点と基準点とを結ぶ直線と、基準光軸とのなす角の増加に応じて、光入射面上任意の点と基準点を結ぶ距離が単調減少しているため、光入射面で光が光軸から遠ざかる方向に屈折され、さらに光出射面の任意の点と基準点とを結ぶ直線と、基準光軸とのなす角の増加に応じて、光出射面上任意の点と基準点を結ぶ距離が単調増加しているため、さらに光出射面で光が光軸から遠ざかる方向に屈折される。このときの距離変化は、一般的な発光素子で光軸方向に出射した光度の半分以上の光度範囲であるπ／３以内で単調増加、単調減少であるため、ほとんど輝度ムラを発生させることなく、光を滑らかに拡散させることが可能となる。また、Ａ２が上記の値であることによって、光出射面における全反射が抑制される。このため、光出射面の一部領域から光が出射しない等の輝度ムラの原因の抑制が可能になる。
【００２４】
また、本発明の発光装置では、上記光束制御部材は屈折率が１．４５以上１．６５以下である透明材料からなることが好ましい。
【００２５】
上記光束制御部材は屈折率が１．４５以上１．６５以下である透明材料であるので、アクリルやポリカーボネート等の材料が利用可能であり、コスト削減が可能となる。
【００２６】
また、上記光入射面において、上記α１の増分Δα１に対するＲ１の増分ΔＲ１をＲ１Δα１で除算した値ΔＲ１／（Ｒ１Δα１）をＡ１として、α１が０のとき、Ａ１が０であり、上記光出射面において、α２が０のとき、Ａ２が０であることが望ましい。
【００２７】
これにより、発光装置の光軸付近が暗くなることが抑制され、輝度ムラの抑制が可能となる。
【００２８】
また、本発明の発光装置では、上記光入射面において、上記Ａ１の最大値が、α１が０からπ／４の範囲内にあることが望ましい。
【００２９】
これにより、液晶表示パネル上で発光装置の光軸付近に光が集中することが抑制され、輝度ムラの抑制が可能となる。
【００３０】
すなわち、上記光入射面において、上記Ａ１の最大値はα１が０からπ／４の間にあるので、発光素子からの光が集中する光軸付近で急に光を曲げる角度を増加させることにより、発光装置光軸上の光量を減少させ、光軸から離れた領域ではゆるやかに曲げる角度を戻していくことにより、より拡散性の向上ができるため、発光装置により滑らかな輝度分布が得られ、発光装置を複数配置したときの輝度ムラの抑制が可能になる。
【００３１】
また、本発明の発光装置では、上記光束制御部材が上記光入射面と上記光出射面とを結ぶ底面を備え、上記底面には、発光素子から出射された光の入射を抑制する光入射抑制部が備えられていることが好ましい。
【００３２】
これにより、発光素子から出射された光が、上記底面から入射することを光入射抑制部によって抑制することができる。これにより、望まない方向から、光束制御部材に光が入射することによって、発光装置により生じる輝度ムラが生じることを抑制できる。
【００３３】
また、本発明の発光装置では、上記光入射抑制部は、上記底面にシボ加工が施されたシボ部であることが好ましい。
【００３４】
これにより、上記光入射抑制部を光束制御部材と同時に形成することができ、低コストにて光入射抑制部を形成することができる。
【００３５】
また、本発明の照明装置は、上記発光装置を備えるものである。
【００３６】
これにより、フレネル反射による反射率を低減させ、拡散性が向上された照明装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の発光装置は、以上のように、上記光入射面は、上記発光装置の基準光軸に対し軸対称な凹の曲面部分を有し、上記基準光軸と上記発光素子の発光面との交点を基準点としたとき、上記光入射面上の任意の点と上記基準点とを結ぶ直線と、上記基準光軸とのなす角をα１、上記光入射面上の任意の点と上記基準点との距離をＲ１として、少なくともα１＜π／３の範囲においては、α１の増加に従いＲ１は単調減少し、上記光出射面は、上記基準光軸に対し軸対称な凸の曲面部分を有すると共に、上記基準光軸との交点を含む部分に、上記凸の曲面部分に連続する窪みを有する形状であり、上記光出射面上の任意の点と上記基準点とを結ぶ直線と、上記基準光軸とのなす角をα２、上記光出射面上の任意の点と上記基準点との距離をＲ２として、少なくともα２＜π／３の範囲においては、α２の増加に従いＲ２は単調増加し、上記光束制御部材を構成する材料の屈折率をｎとして、上記α２の増分Δα２に対するＲ２の増分ΔＲ２をＲ２Δα２で除算した値ΔＲ２／（Ｒ２Δα２）をＡ２として、Ａ２は
【００３８】
【数２】
0005213383.tif 000003
【００３９】
未満であるものである。
【００４０】
それゆえ、発光素子から出射された光を、広範囲に滑らかに拡散することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
〔実施の形態１〕
本発明の一実施形態について図１〜図９に基づいて説明すれば、以下の通りである。図１は、本実施の形態に係る発光装置１０の断面図を示している。同図に示す発光装置１０には、発光素子１およびこの発光素子１の周囲を覆うように光束制御部材２が備えられている。光軸（基準光軸）Ｚの方向は、発光素子１から出射される光の立体的な出射光束の中心における光の進行方向をいう。同図においては、便宜上、発光素子１から鉛直上向きの方向を光軸（基準光軸）Ｚとする。
【００４２】
また、発光装置１０は光軸Ｚを中心とした、回転対称の形状を有している。なお、発光素子１については必ずしも回転対称である必要はなく、直方体等の形状でもよい。光束制御部材２は発光素子１から出射された光Ｌの方向を変化させる。すなわち、光Ｌを光軸Ｚに対し垂直に近い方向に曲げることによって、光Ｌを拡散させるものである。
【００４３】
光束制御部材２は、発光素子１から出射された光の方向を変化させるための部材であり、特に限定されるものではないが、好ましくは、屈折率が１．４５以上１．６５以下である透明材料を用いることができる。また、さらに好ましくは、屈折率が１．４９であるポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、屈折率が１．５９であるポリカーボネート（ＰＣ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）等の透明樹脂材料や透明なガラスによって形成され得るものである。
【００４４】
光束制御部材２は内表面である光入射面２ａ、外表面である光出射面２ｂ、光入射面２ａと光出射面２ｂとを結ぶ底面２ｃを有している。光束制御部材２の内部は空洞が形成されており、この空洞部分に発光素子１が設置されている。発光素子１は、光軸Ｚを中心に周囲に光を出射する部材である。発光素子１としては、公知のＬＥＤチップなどを用いることができ、特に限定されるものではない。
【００４５】
光束制御部材２の内表面である光入射面２ａの断面形状は、同図に示すように、光軸Ｚ上では光軸Ｚと略垂直に交わり、光軸Ｚ付近では輪郭線の傾きが大きく変化し、光軸Ｚから離れたところでは輪郭線の傾きがあまり変化しないため、釣鐘形状をしている。一方、光束制御部材２の外表面である光出射面２ｂの断面形状は、光軸Ｚ付近では輪郭線の傾きが光軸Ｚと略垂直で傾き変化が小さく、光軸Ｚから離れたところでは輪郭線の傾きの変化が大きくなり、次第に光軸Ｚと平行な方向に変化する形状を有している。なお、光出射面２ｂにおける光軸Ｚ付近の形状は凹形状となっている。
【００４６】
また、図２に本実施の形態に係る発光装置１１の断面図を示す。本実施の形態においては、光入射面２ａおよび光出射面２ｂの両面において光の方向を変化させるので、発光装置１１の光出射面２ｂにおける光軸Ｚ付近の形状のように凸形状とすることも可能である。
【００４７】
ここで、図１９に示す特許文献１の発光装置１００は、光出射面１０２ｂにおいてのみ光の方向を変化させているので、光出射面１０２ｂにおける光軸Ｚ付近の形状は凹形状となっている。しかしながら、本実施の形態によれば、発光装置１００のように凹形状に限定されず、発光装置１０または発光装置１１のように凸形状または凹形状とすることができ、設計の自由度を広げることができる。
【００４８】
次に、図３に基づいて、光束制御部材２の光出射面２ｂにおける光Ｌの方向を変化させる構成について説明する。同図は図１で示す発光装置１０の一部を詳細に示す断面図である。
【００４９】
同図において、光入射面２ａは、発光装置１０の基準光軸Ｚに対し軸対称な凹の曲面部分を有し、基準光軸Ｚと発光素子１の発光面との交点を基準点Ｏとしたとき、光入射面２ａ上の任意の点Ｐ３と基準点Ｏとを結ぶ直線と、基準光軸Ｚとのなす角をα１、光入射面２ａ上の点Ｐ３と基準点Ｏとの距離をＲ１として、一般的な発光素子の配光特性であるランバート分布の場合であれば、光軸方向に出射した光度の半分以上の光度範囲であるα１＜π／３の範囲においては少なくとも、α１の増加に従いＲ１は単調減少している。
【００５０】
ここで、本明細書では特に断らない限り角度表記にはラジアンを用いる。次に、光出射面２ｂは、基準光軸Ｚに対し軸対称な凸の曲面部分を有すると共に、基準光軸Ｚとの交点を含む部分に、凸の曲面部分に連続する窪みを有する形状であり、光出射面２ｂ上の任意の点Ｐ４と基準点Ｏとを結ぶ直線と、基準光軸Ｚとのなす角をα２、光入射面２ａ上の点Ｐ４と基準点Ｏとの距離をＲ２として、少なくともα２＜π／３の範囲においては、α２の増加に従いＲ２は単調増加している。
【００５１】
このとき、光入射面２ａに入射した光Ｌは、外側に屈折し、光出射面２ｂから出射するときにさらに外側に屈折させられる。以下にその原理を示す。光入射面２ａ上の点Ｐ３で、仮に光入射面の形状が、α１が増加してもＲ１が変化しない形状であったとき、すなわち同図の断面図でα１の増分Δα１に対するＲ１の増分ΔＲ１が０であったとき、光入射面の形状は基準点Ｏを中心とする半径Ｒ１の円となり、光は光入射面に垂直に入射するため、光の方向を変えずに伝播する。
【００５２】
一方、光入射面の形状がα１の増加にしたがいＲ１が減少する形状である場合、すなわち、同図の断面図でα１の増分Δα１に対するＲ１の増分ΔＲ１がΔＲ１＜０であったとき、光入射面２ａ上の点Ｐ３における接線は、基準点Ｏを中心とした半径Ｒ１の円より光軸Ｚと平行に近付いた角度となり、このとき基準点Ｏから出射し、任意の点Ｐ３に入射した光は光軸から離れる方向に曲げられて、光束制御部材２内を伝播する。このとき、ΔＲ１／Ｒ１Δα１＝Ａ１とすると、Ａ１はＡ１＜０となる。
【００５３】
次に、光出射面２ｂでは逆にα２の増加にしたがいＲ２が増加するため、光出射面２ｂ上の点Ｐ４における接線は、基準点Ｏを中心とした半径Ｒ２の円の接線より光軸Ｚと垂直に近付いた角度となり、基準点Ｏと点Ｐ４を結ぶ直線の方向から点Ｐ４に入射した光はさらに光軸Ｚから離れる方向に曲げられる。実際には光入射面２ａがあるため、同図に示すように基準点Ｏと点Ｐ４とを結ぶ直線と点Ｐ４における法線とのなす角よりも、実際に点Ｐ４に入射する光Ｌと点Ｐ４おける法線とのなす角の方が大きく、さらに光軸から離れる方向へと曲げられる。このように、以上の特性を有する光入射面２ａと光出射面２ｂとを有することにより、拡散性を向上させた発光装置を得ることができる。
【００５４】
次に、図４を参照して光出射面２ｂから光を出射させるための条件について述べる。まず、基準点Ｏと光出射面上の点Ｐ４とを結ぶ直線の方向から点Ｐ４へ入射した光線について考える。
【００５５】
点Ｐ４における法線と基準点Ｏと点Ｐ４を結ぶ直線とのなす角をβ、α２が微小量Δα２だけ変化したときのＲ２の変化量をΔＲ２とすると、
ｔａｎβ＝ΔＲ２／Ｒ２Δα２となる。次に屈折率をｎとすると、光出射面から出射するには、ｎｓｉｎβ≦１ である必要がある。ΔＲ２／Ｒ２Δα２＝Ａ２として、以上の式を整理すると
【００５６】
【数３】
0005213383.tif 000004
となり、これが、基準点Ｏと光出射面上の点Ｐ４を結ぶ直線の方向から点Ｐ４へ入射した光線が光出射面２ｂから出射するための条件となる。以上は、基準点Ｏから出射した光が光入射面２ａで曲がらずに光出射面２ｂに到達した場合についてであるが、実際には光入射面２ａで屈折されるため、光出射面２ｂ上の点Ｐ４へ到達する光の入射角はβより大きくなる。そのため、
【００５７】
【数４】
0005213383.tif 000005
の条件下では必ず全反射が生じてしまう。よって、少なくともＡ２は
【００５８】
【数５】
0005213383.tif 000006
【００５９】
未満である必要がある。
【００６０】
以上では、α１＝０、及びα２＝０以外の部分について述べたが、α１＝０、α２＝０のときは、発光素子１から光軸方向に出射された光を光軸方向に出射する必要があるため、Ａ１及びＡ２は０となる。このようにすることにより、特許文献２で問題となる、発光素子１直上が暗くなるというデメリットが抑制される。
【００６１】
図５において、発光素子１から出射され、光入射面２ａに到達する光Ｌと光軸Ｚとのなす角をφ１とする。さらに、光入射面２ａに入射し、光出射面２ｂに到達し、光出射面２ｂから出射した光Ｌと、光Ｌが光出射面２ｂにおいて到達する出射点Ｐ２を通り光軸Ｚと平行な線とのなす角度をφ２とする。
【００６２】
また、同図において、発光素子１から出射された光Ｌが光入射面２ａに入射した点を光入射点Ｐ１とし、光入射点Ｐ１から入射した光Ｌと光入射点Ｐ１における法線とのなす角度がθ１として表されている。また、光束制御部材２の中を透過し、光出射面２ｂに入射した光Ｌの出射面における点を光出射点Ｐ２とし、光出射点Ｐ２に到達した光Ｌと光出射点Ｐ２における法線とのなす角度がθ２として表されている。
【００６３】
同図に示すように、発光素子１から出射された光Ｌは、光入射面２ａに入射し、光束制御部材２の内部を伝播した後、光出射面２ｂから外部（例えば、空気中）にスネルの法則にしたがって出射されることになる。この際、本発明に係る光束制御部材２から出射される発光素子１からの光束は、光軸Ｚから遠ざかるように屈折して出射される。
【００６４】
上記の発光装置１０において、さらに拡散性を向上させ、輝度ムラを抑制するためには、発光素子１から出射された光Ｌを液晶表示パネル上においてガウス分布のような、発光装置１０の光軸Ｚ上が明るく、光軸Ｚ上から離れるにしたがって暗くなる分布にすることが好ましいと考えられる。そこで、発明者は鋭意検討を行った結果、配光特性がＰ（φ１）である発光素子１から出射された光Ｌについて以下の条件とすることを見出した。
【００６５】
すなわち、光束制御部材２から、光軸Ｚの方向に一定距離離れ、光軸Ｚの方向に対し垂直に配置されている平面上において、光軸Ｚからの距離をｒ、発光素子１から出射した光Ｌと光軸Ｚとのなす角度をφ１とし、以下の数式（１）
【００６６】
【数６】
0005213383.tif 000007
【００６７】
によりＡを求め、Ｃがｒ＝０のときφ１＝０を満たすように定まる定数、σが拡散性を表す定数とした場合に、以下の数式（２）
【００６８】
【数７】
0005213383.tif 000008
【００６９】
の条件を満たす場合に、配光特性がＰ（φ１）である発光素子１からの光Ｌを平面上、例えば、液晶表示パネル上でガウス分布とできることを見出した。
【００７０】
このように、上記発光素子１が上記の条件を満たすことによって、光Ｌを液晶表示パネル上においてガウス分布にすることができ、上記平面上においてリング状の輝線や発光装置１０上の輝点などが生じることを抑制できる。これにより、発光素子１から出射される光Ｌの輝度ムラを抑制することができる。
【００７１】
特に、一般的なＬＥＤの配光特性であるＰ（φ１）＝Ｐ０ｃｏｓφ１（Ｐ０は定数）で表されるランバート分布は重要であり、以下の数式（３）
【００７２】
【数８】
0005213383.tif 000009
【００７３】
の条件を満たせば、ランバート分布を上記平面上（液晶表示パネル）でガウス分布に変換できる。これにより、発光素子１から出射される光Ｌの輝度ムラをさらに抑制できる。
【００７４】
図１９の発光装置１００においては、液晶表示パネル１０６までの距離を２０ｍｍとした場合に、特許文献１に開示されているα＝１のレンズ形状は、上記数式（１）および数式（２）によれば、σ＝３０ｍｍ程度に対応し、特許文献１の発光装置１００の形状によっては、これ以上の拡散性の向上が困難であることが分かる。
【００７５】
図６は、σを３５ｍｍ、液品表示パネルまでの距離を２０ｍｍとしたときのφ１とφ２の関係を示すグラフである。同図に示されるように、φ２はφ１の増加に伴い単調増加しており、図２０に示されるようにφ１が増加してもφ２が変化しない領域は発生しない。また、図７は、図６におけるφ１とφ２／φ１との関係を示すグラフである。特許文献１で開示された設計法ではφ１とφ２／φ１との関係が直線的に変化しているが、図７に示すように、φ１とφ２／φ１との関係は直線ではなく、途中に変曲点を有する関係であることが分かる。
【００７６】
さらに拡散性を向上させて、σ＝７０ｍｍにおけるφ１とφ２／φ１の関係を図８に示す。図８ではさらに特許文献１との違いがはっきりし、本発明ではφ１が小さい領域ではφ１の増加とともに一気にφ２／φ１の値を減少させ、φ１が大きい領域ではφ１の増加とともに緩やかにφ２／φ１の値を１に近付けていることが分かる。
【００７７】
図９は、発光装置１０におけるθ１／θ２と反射率との関係を示すグラフである。同図において、縦軸は反射率を示し、横軸はθ１／θ２を対数で表示している。また、反射率は、光入射面２ａおよび光出射面２ｂの両面での反射を含んだ反射率が表されている。従来技術である図１９の発光装置１００においては、θ１／θ２＝０（発光装置１００においては、常にθ１＝０）である。同図における各グラフの漸近線の値が、従来技術における反射率となる。例えば、Δφ＝７π／４５のグラフに対する漸近線は破線で示されており、１５．８％である。すなわちΔφ＝７π／４５のとき、従来技術では反射率は１５．８％となる。
【００７８】
本実施の形態に係る発光装置１０では、従来技術に係る発光装置１００とは異なり、光入射面２ａおよび光出射面２ｂの両方において、光Ｌの方向を変化させているため、各グラフの反射率は漸近線の値よりも下回っており、発光装置１００よりも反射率を抑制できることが分かる。また、Δφを一定とした場合、反射率が最小となるのはθ１／θ２＝１のとき、すなわちθ１＝θ２のときであり、Δφが大きくなるほど反射率が大きくなることが分かる。
【００７９】
光束制御部材２により光Ｌの拡散性を向上させるためには、発光素子１から出射された光をできるだけ光軸Ｚと垂直な方向に近付ける必要があるため、Δφを大きくする必要がある。また、発明者の光線追跡による解析において、光束制御部材２におけるフレネル反射による反射率が最大で１５％を超えると、拡散性が向上しにくくなることが確認されたため、反射率は１５％以下にすることが望ましい。反射率を１５％以下にする条件は、上述したグラフを考察し、以下の数式（９）〜数式（１５）で表される。
Δφ≦３π／２０において、０≦θ１／θ２≦∞  ・・・数式（９）
Δφ＝７π／４５において、１／２５．８≦θ１／θ２≦２５．８  ・・・数式（１０）
Δφ＝π／６において、１／６．８≦θ１／θ２≦６．８  ・・・数式（１１）
Δφ＝７π／３６において、１／２．５≦θ１／θ２≦２．５  ・・・数式（１２）
Δφ＝２π／９において、１／１．６≦θ１／θ２≦１．６  ・・・数式（１３）
Δφ＝π／４において、１／１．２≦θ１／θ２≦１．２  ・・・数式（１４）
Δφ＝２３π／９０において、１／１．１≦θ１／θ２≦１．１  ・・・数式（１５）
また、Δφ≧４７π／１８０では反射率を１５％以下にはできない。これらを勘案すると、以下の数式（４）〜数式（８）および数式（１６）
Δφ≦７π／４５において、１／２５．８≦θ１／θ２≦２５．８  ・・・数式（４）
Δφ≦π／６において、１／６．８≦θ１／θ２≦６．８  ・・・数式（５）
Δφ≦７π／３６において、１／２．５≦θ１／θ２≦２．５  ・・・数式（６）
Δφ≦２π／９において、１／１．６≦θ１／θ２≦１．６  ・・・数式（７）
Δφ≦π／４において、１／１．２≦θ１／θ２≦１．２  ・・・数式（８）
Δφ≦２３π／９０において、１／１．１≦θ１／θ２≦１．１  ・・・数式（１６）
の何れかの条件を満たすことにより、反射率を１５％以下に抑制することが可能となり、従来技術に係る発光装置１００よりも光Ｌの拡散性を向上することが可能となる。
【００８０】
また、本実施の形態に係る発光装置を用いて、これを備える照明装置を提供することができる。上記照明装置は、本実施の形態に係る発光装置を備えるため、フレネル反射による反射率を低減させることにより、拡散性が向上された照明装置を提供することができる。照明装置の具体例としては、液晶表示装置、バックライト、サインボードなどを挙げることができる。
【００８１】
以上の構成を液晶表示装置用のバックライトとして用いる場合には、図示しない液晶表示パネルが設置されることとなる、発光装置１０の上方、かつ、光軸Ｚに対し垂直な面において、光束制御部材が本実施の形態ではない場合と比較して、発光素子１から離れた位置に向けて滑らかに拡げられて出射させることができる。これにより、フレネル反射による反射率を抑制でき、拡散性を向上させることができる発光装置１０を提供することができることとなる。
【００８２】
〔実施の形態２〕
本発明に係る他の実施の形態について図１０〜図１２に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、上記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、実施の形態１において各図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８３】
図１０は、本実施の形態に係る発光装置１０の断面図である。同図の発光装置１０においては、発光素子１と光束制御部材２とが比較的離れて設置されている。このような構成の場合、発光素子１から出射された光の一部が、光入射面２ａに入射せず、底面２ｃに直接入射し得る。その後、上記光は光束制御部材２を伝播し、光出射面２ｂにおいて、集光され、光Ｌ１として液晶表示パネル６上に発光素子１の直上を中心とする円状の輝線を発生する。その結果、液晶表示パネル６上の輝度ムラの改善が妨げられる可能性がある。
【００８４】
このような現象を回避するために、発明者は反射抑制部を有する発光装置を創作した。図１１は、本実施の形態に係る発光装置１２の断面図である。発光装置１２には、実施の形態１において説明した発光装置１０とは異なり、光軸Ｚに垂直であり、発光素子１を含む平面上に反射シート３が備えられている。また、底面２ｃの下部には、反射シート３と対向して反射部材（光入射抑制部）４が備えられている。反射シート３と反射部材４との間には、間隙があってもよい。
【００８５】
反射シート３としては、具体的には、ポリエステル等の樹脂に白色顔料を添加したフィルムや、内部に微細な気泡を含有させたフィルムなどの公知の反射シートを用いることができ、特に限定されるものではない。また、反射部材４としても、ポリエステル等の樹脂に白色顔料を添加したフィルムや、内部に微細な気泡を含有させたフィルムなどの公知の反射部材を用いることができ、特に限定されるものではない。
【００８６】
反射シート３と反射部材４との間隙は、発光素子１からの光が底面２ｃに直接入射しないように０であることが好ましいが、発光装置１２を構成する部材のばらつき等によって、実際には間隙ができてしまうものである。
【００８７】
発光装置１２によれば、発光素子１から出射された光のうち、上記間隙側から底面２ｃに向かう光は、反射部材４によって反射され、その後、反射シート３に到達し、さらに反射シート３によって反射される。このため、発光素子１から底面２ｃに直接出射された光は、光束制御部材２に入射することができない。
【００８８】
このため、発光素子１から出射された光が、望まない底面２ｃから入射することを抑制することができるので、液晶表示パネル６上に円状の輝線を生じることを低減できる。また、反射部材４で反射された光は発光素子１の周囲に設置された反射シート３により反射されるため、最終的には液晶表示パネル６を照明する光として利用されるので、光利用効率を低下させ難い。
【００８９】
以上、光入射抑制部として反射部材を設置する方法について述べたが、図１２に示す発光装置１３のように、光入射抑制部として底面２ｃが、シボ加工されたシボ面２ｄとしてもよい。シボ面とは、シボ加工された面のことをいい、例えば、微細な凹凸、印刷されたドットパターンなど加工された面が挙げられる。
【００９０】
上記の構成を有しているため、シボ面２ｄに入射した光は散乱され、液晶表示パネル６上に発生する円状の輝線がぼやけるため、輝度ムラが目立ちにくくなる。また、シボ面２ｄは金型にシボ加工を施しておくことにより、光束制御部材の成型時に同時に設置できるので、コストダウンをも達成することができる。
【００９１】
〔実施の形態３〕
本発明に係る他の実施の形態について図１３〜図１８に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、上記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、実施の形態１において各図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００９２】
図１３は、本実施の形態に係る発光装置１４の断面図である。発光装置１４において、底面２ｃには楔形の光散乱部５が備えられている。光散乱部５としては、楔形などを有したプリズムの斜面のように光を反射し、光の向きを光軸Ｚに対し垂直近くに変化させるものであれば、特に限定されず用いることができる。同図において、光散乱部５は、光軸Ｚに回転対称の形状であり、光軸Ｚの周囲に一連の形状として形成されているが、光軸Ｚの周囲に一連の形状ではなく、部分的に形成されていてもよい。
【００９３】
光散乱部５について詳細に説明するために、まず、光散乱部５を有しない発光装置の液晶表示パネル上の輝度分布について説明する。図１４は、光散乱部５を有しない発光装置１５を示す断面図である。
【００９４】
発光装置１５では、発光素子１から出射された光は、光入射面２ａに入射し、その後、光出射面２ｂにおいて光Ｌ１として出射される。ここで、一部の光はフレネル反射によって光出射面２ｂから出射されずに反射され、さらに底面２ｃにおいてフレネル反射、あるいは、底面２ｃに接する反射シート３によって反射され、再度光出射面２ｂに到達する。光出射面２ｂに到達した光は、光出射面で光軸に近付けられて液晶表示パネル６に光Ｌ２として到達する。
【００９５】
このように発光装置１５においては、液晶表示パネル６の光軸Ｚ付近の明るさが増す傾向にあるので、光軸Ｚ付近の輝度ムラが生じることがある。
【００９６】
次に、光散乱部５を有する発光装置の液晶表示パネル上の輝度分布について説明する。図１５は、光散乱部５を有する発光装置１４の断面図である。
【００９７】
発光装置１４では、発光素子１から出射された光は、光入射面２ａに入射し、その後、光出射面２ｂにおいてＬ１として出射される。ここで、一部の光は、発光装置１５と同様にフレネル反射によって光出射面２ｂから出射されずに反射され、底面２ｃにおける集光点Ｐに集光することとなる。発光装置１４においては、集光点Ｐ付近に光散乱部５が形成されているので、光散乱部５にフレネル反射された光が集光し、一部は光Ｌ３のように光軸Ｚと平行に近い方向に出射されるものの、大部分は光Ｌ４として光軸Ｚと垂直な方向に近付けられて出射されることとなる。これにより、発光素子１から出射された光の大部分を、光束制御部材２および光散乱部５によって、光軸Ｚと垂直な方向に近付けるように制御することができる。このように、発光装置が光散乱部５を備えることによって、さらに輝度ムラを抑制することが可能となる。
【００９８】
光散乱部５の設置位置は、図１５に示すように光出射面２ｂからの光をより多く、光軸Ｚに対し、垂直方向側に近付けることができれば、特に限定されるものではない。光散乱部５が集光点Ｐの位置に配置された場合には、より小さなプリズム形状で、光出射面２ｂにおいてフレネル反射された光のより多くを、光軸Ｚに対し垂直な方向に近付くように制御することができるため好ましい。なお、集光点Ｐのおおよその位置としては、底面２ｃの光出射面２ｂ寄りである。
【００９９】
図１６は、発光装置１４および発光装置１５を用いた場合の液晶表示パネル６上に及ぼされる輝度分布を示すグラフである。同図において、縦軸は液晶表示パネル６上における相対的な輝度を表している。また、横軸は、液晶表示パネル６における位置を示しており、各発光装置における発光素子１の直上を横軸の中心としている。同図中、実線のグラフは、光散乱部５を有する発光装置１４の輝度分布を、一方、破線のグラフは、光散乱部５を有しない発光装置１５の輝度分布を示している。
【０１００】
同図の実線のグラフと破線のグラフとを比較すると、発光装置１４において、光散乱部５が備えられていることにより、発光装置１５よりも、発光素子１の直上の部分の明るさが抑制されていることが分かる。同図の破線で示した発光素子１直上の明るさは、発光素子１直上が明るくなる輝度ムラの原因となるので、このように、発光装置１４に光散乱部５が備えられていることによって、液晶表示パネル６上の輝度ムラをより生じ難くすることができる。
【０１０１】
図１７は、光入射面２ａに入射した光が光出射面２ｂに到達する前に光散乱部５に到達する場合における発光装置１４の断面図を示している。
【０１０２】
上述したように、発光装置１４によれば、発光素子１から出射される光は、光散乱部５に到達せずに、光出射面２ｂから出射された場合、光Ｌ１として出射される。このようにして、発光素子１から出射される光の拡散性を向上させることができる。ここで、同図に示すように、発光素子１から出射された光の一部は、光入射面２ａに入射した後に、光散乱部５に到達した後に光出射面２ｂに到達して、光束制御部材２の外部に光Ｌ５として出射される。同図に図示されるように、発光素子１から出射された光の一部は、光入射面２ａに入射した後に、光散乱部５によってその方向が変更され、光軸Ｚ方向に対し平行な方向側に変更されることとなる。すなわち、光Ｌ５が生じると、発光素子１からの光の拡散性を向上させる効率が低下することとなる。
【０１０３】
上記のような光Ｌ５の発生を抑制し、発光素子からの光の拡散性をさらに向上させるために、発明者は以下の発光装置を創作した。図１８は、光散乱面２ｅを備える発光装置１６の断面図を示している。
【０１０４】
発光装置１６の光束制御部材２は、光出射面２ｂにおいて発光素子１から出射された光が出射される側（外部側）に、光軸Ｚと垂直な面を有する光散乱面２ｅを備え、さらに、光散乱面２ｅの外部側の端部には、底面２ｃに対し垂直な端面２ｆが形成されて、底面２ｃとつながっている。
【０１０５】
同図に示すように、発光素子１から出射された光が上記光入射面２ａに入射し、上記光出射面２ｂに到達する前に、光散乱部５に到達した光は光散乱面２ｅにおいて、光Ｌ６として、散乱されることとなる。このため、図１７における光Ｌ５のように、光軸Ｚに対し平行な方向側に移動される光によって発生するリング状の輝線の発生を抑制することができ、発光素子１からの光をさらに効率的に拡散させることができる。具体的には、発光装置１６によって、液晶表示パネルに出射された光が、特定の部分に円状の輝線を発生させる度合いが小さくなる。すなわち、光散乱面２ｅを設けることにより輝度ムラを抑制しやすくすることができるのである。
【０１０６】
以上の対策を講じても輝点や輝線が発生する場合には輝度目標とするガウス分布から、輝点や輝線が発生する部分の輝度を、輝点や輝線の発生分を考慮して輝度を下げておき、これを新たな輝度目標としてレンズを設計すればよい。
【０１０７】
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明の照明装置は、液晶表示装置のバックライトとして利用できる。本発明の照明装置は、特に、大型の液晶表示装置のバックライトとして好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明に係る発光装置の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明に係る発光装置の一実施形態を示す断面図である。
【図３】図１に示す発光装置を詳細に示す断面図である。
【図４】図１に示す発光装置を詳細に示す断面図である。
【図５】図１に示す発光装置を詳細に示す断面図である。
【図６】本実施の形態に係る発光装置のσを３５ｍｍ、液品表示パネルまでの距離を２０ｍｍとしたときの角度φ１と角度φ２の関係を示すグラフである。
【図７】図５に示す発光装置１０における角度φ１と角度φ２／角度φ１との関係を示すグラフである。
【図８】本実施の形態に係る発光装置のσを７０ｍｍ、液品表示パネルまでの距離を２０ｍｍとしたときの角度φ１と角度φ２の関係を示すグラフである。
【図９】本実施の形態に係る発光装置における角度θ１／角度θ２と反射率との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る発光装置の一実施形態を示す断面図である。
【図１１】本発明に係る発光装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図１２】本発明に係る発光装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図１３】本発明に係る発光装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図１４】本発明に係る発光装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図１５】本発明に係る発光装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図１６】本発明に係る発光装置を用いた場合の液晶表示パネル上に及ぼされる輝度分布を示すグラフである。
【図１７】本発明に係る発光装置の他の実施形態を示す断面図である。
【図１８】本発明に係る光散乱面を備える発光装置の一実施形態を示す断面図である。
【図１９】従来の発光装置を示す断面図である。
【図２０】図１９に示す、従来の発光装置の角度φ１および角度φ２の関係を示すグラフである。
【図２１】図１９に示す、従来の発光装置の光線の出射方向を示す図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１    発光素子
２    光束制御部材
２ａ  光入射面
２ｂ  光出射面
２ｃ  平面
２ｄ  シボ面
２ｅ  光散乱面
２ｆ  端面
３    反射シート（光入射抑制部）
４    反射部材（光入射抑制部）
５    光散乱部
６    液晶表示パネル
１０〜１６    発光装置
α１    角度
α２    角度
Δα１    角度
Δα２    角度
Ｒ１    距離
Ｒ２    距離
Ｐ    集光点
Ｐ１  入射点
Ｐ２  出射点
Ｚ    光軸（基準光軸）
【図１】
0005213383.tif 000011
【図２】
0005213383.tif 000012
【図３】
0005213383.tif 000013
【図４】
0005213383.tif 000014
【図５】
0005213383.tif 000015
【図６】
0005213383.tif 000016
【図７】
0005213383.tif 000017
【図８】
0005213383.tif 000018
【図９】
0005213383.tif 000019
【図１０】
0005213383.tif 000020
【図１１】
0005213383.tif 000021
【図１２】
0005213383.tif 000022
【図１３】
0005213383.tif 000023
【図１４】
0005213383.tif 000024
【図１５】
0005213383.tif 000025
【図１６】
0005213383.tif 000026
【図１７】
0005213383.tif 000027
【図１８】
0005213383.tif 000028
【図１９】
0005213383.tif 000029
【図２０】
0005213383.tif 000030
【図２１】
0005213383.tif 000031